Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Phan Đăng Khải,
người đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện –
Khoa điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ
tôi hoàn thành tốt khóa học của mình.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người luôn kề vai sát
cánh bên tôi, động viên tôi trong suốt khóa học và quá trình làm luận văn.
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 1 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện, chưa từng được ai công
bố. Các số liệu dùng để tính toán và kết quả là xác thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan trên.
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2014
Tác giả
Trần Thị Kim Thoa
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 2 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4
MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG I 9
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN LẠNH VÀ SIÊU DẪN 9
CHƯƠNG 2 37
CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI 37

Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 4 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
Hình 1.3 Đồ thị phụ tải hệ thống điện năng 28
Hình 1.4 Các phương án đấu nối TNSD 32
Hình 2.1 Sơ đồ có dòng điện trong các dây dẫn đồng trục có chiều ngược nhau nối
với máy biến áp mắc hình sao 38
Hình 2.2 Sơ đồ (a) và đồ thị vec tơ (b) của đường dây có các pha đồng trục 38
Hình 2.3 Sơ đồ (a) và đồ thị vec tơ (b, c) của đường dây có pha ghép đôi và thiết bị
điều chỉnh dọc – ngang 41
Hình 2.4 Sơ đồ đường dây có các pha ghép đôi nối bộ với máy biến áp 41
Hình 2.5 Sơ đồ (a) và đồ thị vec tơ (b) của đường dây ở chế độ điện áp và dòng điện
ngược pha nhau 42
Hình 2.6 Các phương án mắc sơ đồ có liên hệ điện dung 43
Hình 2.7 Đường dây được bù có chiều dòng điện ngược nhau 44
Hình 2.8 Bố trí các thiết bị đóng cắt trong sơ đồ đường dây có các điểm đấu nối
trung gian 44
Hình 2.9 Sự phụ thuộc của điện kháng x0 và điện dẫn phản kháng b0 vào công suất
tính toán của đường dây siêu dẫn Nb khi kU = 3 51
Hình 2.10 Sự phụ thuộc của tổng trở sóng ZS và công suất tự nhiên PTN vào công
suất tính toán của đường dây siêu dẫn Nb khi kU = 3 51
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của công suất phản kháng QC vào công suất tính toán của
đường dây siêu dẫn Nb 52
Hình 2.12 Mối quan hệ của tổng trở và điện áp định mức của đường dây siêu dẫn
Nb dưới các công suất tính toán khác nhau 53
Hình 2.13 Sự phụ thuộc của điện kháng x0 và điện dẫn phản kháng b0 vào công
suất tính toán của đường dây siêu dẫn Nb3Sn 54
Hình 2.14 Sự phụ thuộc của tổng trở sóng ZS và công suất tự nhiên PTN vào công
suất tính toán của đường dây siêu dẫn Nb3Sn 55
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 5 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội

việc nâng cao điện áp đường dây do giới hạn cho phép của việc sử dụng đặc tính
cách điện của không khí. Hạn chế của các đường dây truyền tải cao áp là chiếm diện
tích lớn, tổn thất công suất và tổn thất điện năng lớn. Điều này dẫn đến nhu cầu xây
dựng những đường dây truyền tải thay thế dây dẫn bằng dây công nghệ mới có khả
năng mang tải cao hơn công nghệ cũ. Một trong các giải pháp là xây dựng đường
dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn.
2. Lịch sử nghiên cứu:
Hiện tượng siêu dẫn được nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes
khám phá ra vào năm 1911. Đây là một trong những khám phá khoa học vĩ đại của
lịch sử nhân loại. Tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ mới này vào truyền tải điện
năng vẫn còn nhiều thách thức với các nhà khoa học. Nhưng với sự phát triển nhanh
của khoa học kỹ thuật thì con người sẽ sớm làm chủ công nghệ đưa vào ứng dụng
thực tế.
3. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Tôi hy vọng những kiến thức được trình bày trong luận văn sẽ góp một phần
hữu ích vào việc đưa công nghệ truyền tải mới này vào thực tế ở nước ta.
Đối tượng nghiên cứu là đường dây truyền tải điện lạnh và siêu dẫn. Phạm vi
nghiên cứu là xem xét đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của đường dây này trong
hệ thống điện.
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 7 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
4. Tóm tắt luận điểm cơ bản và đóng góp phương pháp nghiên cứu:
Đưa ra một số khái niệm chung và cái nhìn chung nhất về hệ thống truyền tải
điện lạnh và siêu dẫn. Xem xét đánh giá các thông số cơ bản của một số vật liệu
siêu dẫn thông dụng. Đưa ra một số phương án truyền tải bằng đường dây điện lạnh
và siêu dẫn, so sánh với các phương án truyền tải bằng đường dây thường. Qua đó
chúng ta có thể đánh giá được hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của đường dây này trong
hệ thống điện.
5. Bố cục luận văn:
Tên đề tài: “Đánh giá các chỉ tiêu về kinh tế kỹ thuật của hệ thống truyền tải

dụng ở các thành phố của Mỹ.
Cáp siêu dẫn có bốn đặc tính chính tạo nên sự khác biệt với các cáp đồng
truyền thống: Khả năng truyền dẫn điện cao hơn, trở kháng rất thấp, bố trí lắp đặt
đơn giản, và có khả năng hạn chế dòng điện sự cố.”
Ưu thế về mật độ công suất cho phép cáp siêu dẫn ở cấp điện áp bất kỳ, dẫn
điện gấp 10 lần so với các cáp đồng truyền thống. Còn nếu cùng truyền tải một công
suất nhất định thì cáp HTS có thể thực hiện ở cấp điện áp thấp hơn nhiều so với cấp
điện áp thường được sử dụng. Ví dụ một cáp siêu dẫn 15 kV có thể truyền tải được
100 MVA, mà với mức công suất này, người ta thường sử dụng cáp đồng cấp điện
áp 69 kV.
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 9 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
Cáp siêu dẫn có trở kháng rất thấp nên tổn thất điện năng thấp hơn nhiều so
với các loại cáp tương đương. Khi sử dụng trong mạng điện, trở kháng thấp hơn của
cáp siêu dẫn hút dòng điện từ các mạch song song, nhờ đó cũng giảm được tổn thất
điện năng trong các mạch này, mặc dầu hệ thống làm lạnh phục vụ cho hệ thống cáp
siêu dẫn cũng làm giảm phần nào hiệu quả đem lại.
Cáp siêu dẫn có hai đặc tính khiến cho các yêu cầu về chọn tuyến trở nên
đơn giản. Thứ nhất là cáp siêu dẫn gần như không phát ra từ trường, nhờ đó một
mặt iảm yêu cầu về hành lang tuyến, mặt khác không cần phải giảm công suất cáp
khi chúng được bố trí gần các đường cáp khác hay là các cơ sở hạ tầng ngầm. Các
lợi ích về môi trường và về quan hệ cộng đồng do việc không phát ra từ trường
cũng rất rõ ràng (không có cả điện trường, nhưng điều này là đúng đối với tất cả các
loại cáp). Thứ hai là vì cáp siêu dẫn nằm trong vỏ bọc nhiệt độc lập do có hệ thống
làm lạnh, nên không cần tính đến việc giảm công suất cáp tùy theo phương pháp
chôn cáp, độ sâu hoặc loại đất. Do đó, cáp siêu dẫn là lý tưởng để lắp đặt ở các vị trí
có hành lang tuyến bị hạn chế, đặc biệt là khi cần phải truyền tải một lượng công
suất lớn.
Một ưu điểm nữa là khả năng hạn chế dòng sự cố bên trong cáp. Cáp siêu
dẫn sẽ hoạt động như một dây dẫn có trở kháng cực thấp, dẫn dòng điện cường ộlớn

4 – Vật liệu cách nhiệt; 5 – Chất làm lạnh trung gian
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 11 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
Dạng ống dẫn điện cho phép sử dụng chính chúng để lưu thông chất làm lạnh
nên đảm bảo quá trình làm lạnh một cách thuận tiện, đảm bảo được tính compact
của kết cấu cáp. Do các cáp siêu dẫn cho phép tăng dòng làm việc một cách đáng
kể, vấn đề quan trọng hơn là san bằng được từ trường do các dòng điện này phát
sinh. Khi bố trí các ống dẫn pha đồng trục và có chiều dòng điện ngược nhau trong
chúng vấn đề này được giải quyết bằng biện pháp tốt nhất là: trong cấu trúc này từ
trường chỉ nằm giữa các dây dẫn đồng trục.
Khả năng tăng cao dòng điện làm việc cho phép đạt được ngay cả trong các
đường dây siêu dẫn điện áp không lớn lắm, tuy nhiên trường hợp này có sự hạn chế
mức độ ổn định tĩnh. Việc phân bố các dây pha kiểu đồng trục có chiều dòng điện
ngược nhau cho phép nâng cao giới hạn công suất truyền tải do điện kháng giảm
một cách đáng kể.
Các đường dây dẫn dòng một chiều có các dạng khác nhau sau: loại có dây
dẫn phân bố tập trung được nối với các cực khác nhau, loại có các dây dẫn hình ống
có các cực khác nhau có màn chắn chung và màn chắn riêng cho mỗi cực (trong các
cáp khác nhau).
Cách điện trong các cáp siêu dẫn sử dụng chân không, chất làm lạnh chủ đạo,
vật liệu cách điện tổng hợp cứng được tẩm chất làm lạnh, giấy cách điện. Độ bền
điện của cách điện và tổn hao điện môi trong vật liệu cách điện có ảnh hưởng mạnh
tới các thông số về điện và chế độ làm việc của các đường dây siêu dẫn trong hệ
thống.
Vật liệu siêu dẫn có ảnh hưởng quyết định tới khả năng tải và các chỉ số kinh
tế kỹ thuật của các đường dây truyền tải điện. Hiện nay vật liệu siêu dẫn được dùng
với các đường dây truyền tải siêu dẫn là: các kim loại Nb (Ni-ô-bi), chì, hợp chất
Nb-thiếc, Nb-Germany, hợp kim Nb-Titan, Nb-Zr (Ziriconi).
Phương pháp tính toán và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của các
đường dây truyền tải siêu dẫn đã được nghiên cứu trong nhiều công trình. Kết quả

0
K
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 13 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
và về thực tế không phụ thuộc vào trị số công suất tính toán và điện áp dây. Chất
làm lạnh trung gian tốt nhất là dùng Nitơ.
Vấn đề quan trọng là lựa chọn loại vật liệu siêu dẫn. Trong các tài liệu có thể
gặp các quan điểm trái ngược nhau liên quan đến việc lựa chọn sử dụng loại dây
siêu dẫn loại này hoặc loại khác. Tuy nhiên rõ ràng là việc sử dụng chì kém hiệu
quả kinh tế hơn. Khi so sánh Niobi và hợp kim Stanid – Niobi thấy rõ việc sử dụng
Niobi cho công suất nhỏ còn Stanid – Niobi cho công suất lớn hơn.
Các hợp kim Nb – Ti, Nb – Zr không có khả năng cạnh tranh với Stanid –
Niobi. Các nghiên cứu về tính hiệu quả của việc sử dụng vật liệu siêu dẫn Nb
3
Ge
làm vật liệu dẫn cho thấy giá thành đường dây siêu dẫn trong vùng công suất kinh tế
có thể giảm 20 – 30%.
Trong thiết kế cụ thể và các nghiên cứu sau này đã chỉ ra được các vùng sử
dụng hợp lý và kinh tế của dải công suất theo các cấp điện áp khác nhau. Các tính
toán cho kết quả: công suất 1 – 2 GW điện áp phù hợp nhất là 110kV; 2 – 5 GW là
220kV; 5 – 10 GW là 330kV.
Không phải tất cả các vật liệu và thiết bị dùng cho đường dây siêu dẫn hiện
nay đều có các đặc tính xác định. Gắn liền với vấn đề này việc quan trọng là phải
làm rõ ảnh hưởng của tính bất định trong bài toán tìm cách nâng cao hiệu quả kinh
tế của các đường dây siêu dẫn. Cần phải thiết lập được các điện ảnh hưởng trực tiếp
đến các chỉ tiêu kinh tế của các đường dây siêu dẫn như giá thành vật liệu cách
điện, thiết bị làm lạnh bằng Heli, chất làm lạnh và dây siêu dẫn, còn ảnh hưởng của
việc thay đổi giá thành của các lớp vỏ bao lạnh là không đáng kể.
Trong lĩnh vực vật liệu, việc nghiên cứu được tiến hành theo hướng tìm được
dây dẫn siêu dẫn có nhiệt độ tiêu chuẩn cao hơn. Việc dùng các dây dẫn siêu dẫn có

Chi phí quy dẫn đối với đường dây siêu dẫn 110kV tăng 40 – 50% khi k
U
tăng từ 2
– 5. Trong trường hợp này chủng loại dây siêu dẫn có ảnh hưởng đáng kể đến kết
quả.
Giá trị tuyệt đối của chi phí đối với đường dây siêu dẫn truyền tải dòng xoay
chiều cao và chi phí cho các đường dây truyền tải trên không tăng tương ứng với
khả năng tải 5 – 10 lần. So sánh với chi phí cho các đường cáp dầu thì chi phí cho
các đường dây siêu dẫn có thể so sánh được với mức công suất 1,5 – 2 GW. Cùng
với việc tối ưu hóa từng thông số của các đường cáp siêu dẫn trong tương lai xa vẫn
chưa tận dụng được khả năng nâng cao hiệu quả của việc sử dụng các đường dây
siêu dẫn trong hệ thống điện.
Vấn đề được nêu ra là việc thực hiện tối ưu hóa các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
của hệ thống có trang thiết bị điện siêu dẫn có thể đạt được bằng những cách sau:
- Nghiên cứu sử dụng trong các hệ thống điện không chỉ có các cáp siêu
dẫn mà còn có cả các thiết bị siêu dẫn điện khác (các thiết bị đổi nối, các
máy biến áp )
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 15 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
- Nghiên cứu các sơ đồ đấu nối có hiệu quả của các đường dây siêu dẫn
trong hệ thống điện có sử dụng cách sắp xếp cơ bản (đồng trục) của các
dây dẫn và các đặc điểm làm việc của từng dạng.
- Nghiên cứu các đường dây truyền tải siêu dẫn đa mạch.
- Nghiên cứu việc truyền tải siêu dẫn xoay chiều kết hợp với sự sử dụng
các loại hình cáp khác nhau.
- Nghiên cứu dựa trên cơ sở truyền tải điện siêu dẫn của các hệ thống tích
lũy và phân phối năng lượng.
1.3 Các đường dây truyền tải điện lạnh
Các đường dây truyền tải điện lạnh về nguyên lý cũng giống các đường dây
truyền tải điện siêu dẫn, có thể dùng cho cả dòng một chiều và xoay chiều. Tuy

dạng siêu cách nhiệt.
Tiêu chuẩn tối ưu hóa được thực hiện theo nguyên tắc cực tiểu hàm chi phí
quy dẫn đối với toàn bộ đường dây dẫn lạnh. Phương pháp tối ưu hóa đầu tiên theo
hàm mục tiêu chi phí quy dẫn sẽ dẫn đến nhiều phương trình tiên nghiệm phi tuyến
tính phức tạp. Chính vì vậy đã có các thuật toán riêng có thể thực hiện bằng chương
trình trên máy tính phù hợp cho việc tính toán mọi loại cấu trúc của cáp.
Phân tích các kết quả tính toán vỏ bao cách nhiệt cho thấy: ở cách nhiệt chân
không đối với cáp Nitơ lỏng, bề dày lớp chân không trong khoảng 1 ÷ 1,4 cm; còn
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 17 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
đối với cáp Hydro lỏng là 1,5 ÷ 2 cm. Trong trường hợp sử dụng siêu cách nhiệt thì
độ dày tối ưu: cáp Nitơ lỏng là 0,4 ÷ 0,6 cm; cáp Hydro lỏng là 0,9 ÷ 1,3 cm. Theo
khảo sát trị số độ dày tối ưu không phụ thuộc công suất tính toán cáp và điện áp
định mức của nó.
Đánh giá các dạng cách nhiệt cho thấy siêu cách nhiệt ưu việt hơn đối với cả
cáp Nitơ lỏng và cáp Hydro lỏng. Chi phí cho cáp dẫn điện lạnh có vỏ bao cách
nhiệt gồm 2 lớp chân không với chất làm lạnh trung gian phân cách là cao hơn so
với cấu trúc đã được xem xét khác.
Nitơ lỏng và Hydro lỏng được sử dụng làm chất làm lạnh cho cáp dẫn điện
lạnh. Các kết quả có được đối với các cấu trúc cáp đã xét với điện áp định mức khác
nhau cho thấy cáp Nitơ lỏng có các chỉ tiêu kinh tế tốt hơn, đồng thời chi phí cho
cáp Hydro lỏng 330kV và 500kV trong vùng công suất kinh tế có mức độ tăng chi
phí so với cáp Nitơ lỏng là 17 ÷ 40%.
Phân tích sự phụ thuộc nhận được của các chi phí quy dẫn vào công suất
truyền tải cho phép xác định các vùng điện áp kinh tế danh định đối với các cấu trúc
được nghiên cứu. Đối với cấu trúc 3 pha của cáp, điện áp 330kV ưu việt và kinh tế
hơn so với loại 220kV ở dải công suất 150 ÷ 180MW, còn cáp 500kV chiếm ưu thế
hơn loại 330kV ở dải công suất 300 ÷ 330MW. Đối với cấu trúc mạch kép 6 pha,
với các giá trị công suất này, điện áp danh định cận kề 220 và 330kV, 330kV và
500kV về kinh tế là ngang nhau ở dải công suất khoảng 190 ÷ 550MW cho mỗi

ML
; suất chi phí cho một đơn vị công
suất đặt k
đ
(T), thời gian tổn thất công suất lớn nhất (τ); suất chi phí cho 1 đơn vị
sản xuất điện năng (β); hệ số định mức hiệu quả của chi phí vốn đầu tư α
đm
.
Để đánh giá định lượng các trị số của mật độ kinh tế của dòng điện trong quá
trình thay đổi từng giá trị riêng rẽ trong các giới hạn thực tế có thể có cho phép lựa
chọn được cấu trúc thông thường của cáp 3 pha với sự bố trí các ống dẫn hình trụ
của tất cả các pha theo hình tam giác. Vật liệu sử dụng cho các pha là đồng và nhôm
nhiều loại mác khác nhau.
Bảng 1.1: Giới hạn biến đổi k
đ
(T), h(T)
Thông số
Nhiệt độ K
77 20 5
k
đ
(T), USD/W 1 – 5 7 – 12 50 – 500
h(T), W/W 1 – 5 8 – 24 50 – 600
Các trị số sau đây được dùng để tính toán: γ
Al
= 2,7 G/cm
3
; γ
Cu
= 8,96 G/cm

đmin
(T) 1,4-1,2 1,5-1,1 1,2-1,0 2,6-2,1 2,4-1,9
h(T) khi k
đmax
(T) 0,6-0,5 0,7-0,6 0,4-0,3 1,2-1,2 1,1
k
đ
(T) khi h
min
(T) 1,4-0,8 1,5-0,8 1,3-0,7 2,6-1,5 2,3-1,6
k
đ
(T) khi h
max
(T) 1,1-0,7 1,2-0,7 1,1-0,6 2,0-1,5 2,0-1,1
τ (h) 1,5-1,1 1,8-1,7 1,4-1,1 2,9-2,1 2,6-1,9
20
h(T) khi k
đmin
(T) 3,0-2,5 4,0-3,5 1,2-1,0 2,3-2,1 1,9-1,6
h(T) khi k
đmax
(T) 2,3-2,1 3,1-3,0 1,0-0,9 2,0-1,9 1,5-1,3
k
đ
(T) khi h
min
(T) 3,0-2,4 4,0-3,3 1,2-0,9 2,5-1,9 1,8-1,4
k
đ

thường với dây dẫn nhôm. Chính vì vậy việc xây dựng các đường dây điện lạnh đòi
hỏi một khối lượng lớn vật liệu dẫn điện.
Từ các thông số thay vào công thức tính mật độ dòng kinh tế, ảnh hưởng lớn
nhất là suất chi phí cho 1 đơn vị công suất đặt của máy làm lạnh. Thời gian tổn thất
điện năng ảnh hưởng nhỏ. Trên thực tế khấu hao cho hao mòn và sửa chữa đường
dây và máy lạnh ảnh hưởng nhiều đến mật độ dòng kinh tế. Các tính toán cho thấy
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 20 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
khi thay đổi các hệ số khấu hao, mật độ dòng kinh tế trong dải có thể có trong thực
tế chỉ thay đổi một vài phần trăm.
Đối với các đường dây truyền tải điện lạnh có thể rút ra các kết luận chính
sau: trong các cáp mạch đơn các chỉ số tốt nhất là đối với các cáp 3 pha không đồng
trục với dây dẫn bằng đồng hoặc nhôm và chỉ có một mức làm lạnh không có màn
cách nhiệt trung gian. Chất làm lạnh thích hợp là khí Nitơ hóa lỏng còn vật liệu
cách nhiệt tốt nhất là siêu cách nhiệt. Các cáp Hydro lỏng không thể so sánh với
loại Nitơ lỏng trong mọi dải công suất là phù hợp trong thực tế.
Những hạn chế của cáp dẫn điện lạnh là: 1) Mật độ dòng kinh tế thấp đối với
nhôm và đồng 1 – 2 A/mm
2
, nghĩa là cũng giống như các đường dây cáp và đường
dây trên không thông thường; 2) Cũng tương tự như vậy khi công suất không lớn
lắm 200 – 500 MW, các chỉ số tốt nhất chỉ có ở các cáp có điện áp danh định cao
300 – 500 kV nên dẫn đến tăng chi phí cho toàn bộ hệ thống cung cấp điện và trở
thành đắt hơn.
1.4 Thiết bị điện siêu dẫn
Ngày nay các công trình nghiên cứu và các phát minh sáng chế kỹ thuật đã
chỉ ra rằng người ta đang tích cực tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị điện siêu
dẫn nhiều loại để dùng cho truyền tải điện lạnh và hệ thống điện lạnh, đó là: máy
phát, máy biến áp, thiết bị biến đổi, thiết bị đấu nối và các thiết bị bảo vệ, kháng
điện hạn chế dòng điện, các thiết bị tích năng,… Những giải pháp kỹ thuật có được

ra tổn thất tần số trong các dây siêu dẫn. Chính vì vậy xuất hiện mối quan tâm đặc
biệt đến việc nghiên cứu các hệ thống truyền tải điện siêu dẫn có các máy phát điện
một chiều loại siêu dẫn. Trong mối tương quan này ưu việt hơn là giải pháp dùng hệ
thống truyền tải điện siêu dẫn với các máy phát từ thủy động.
Để cung cấp dòng một chiều cho các cơ sở sản xuất cần dung lượng điện lớn
nằm gần các nhà máy điện, tốt nhất là có thể sử dụng các máy phát điện lạnh loại
đơn cực có các cuộn kích thích siêu dẫn. Việc chế tạo máy phát đơn cực dòng một
Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 22 - Cao học KTĐ 2012
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
chiều 250 kA điện áp 800 – 850 kV thực tế là có thể. Trong bảng 2.3 là các đặc tính
tổng quát của các loại máy phát khác nhau trong nước và ngoài nước.
Bảng 1.3: Đặc tính tổng quát của máy phát các loại.
Máy phát
Loại
dòng
điện
Các thông số đạt được
Công
suất
(GW)
Điện áp
kV
Dòng
kA
Hiệu
suất
%
- Máy phát tuabin thông
thường
AC 1,6-2,0 24-32 20-25 99

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
này cần nhìn nhận đúng đắn việc nghiên cứu các máy biến áp siêu dẫn như là một
trong các phần tử của hệ thống truyền tải và sản xuất điện năng chung.
Trong các hệ thống truyền tải siêu dẫn với dòng một chiều về nguyên tắc có
thể sử dụng các thiết bị biến đổi Tiristor thông thường hoặc các loại thiết bị biến đổi
khác, tuy vậy các thiết bị biến đổi siêu dẫn lạnh hấp dẫn hơn cả. Bản chất của thiết
bị biến đổi loại này được thể hiện ở chỗ quá trình biến đổi dòng xoay chiều thành
dòng một chiều được thực hiện có xét tới việc điều khiển bằng mối gián tiếp siêu
dẫn để chuyển đổi từ chế độ siêu dẫn sang chế độ thông thường và ngược lại. Quá
trình điều khiển này được thực hiện bằng tác động nhiệt làm tăng nhiệt độ của vật
siêu dẫn lên cao hơn nhiệt độ làm lạnh hay điều khiển bằng từ trường lớn hơn từ
trường tiêu chuẩn. Tuy vậy để chế tạo các thiết bị biến đổi điện lạnh công suất lớn
có điện áp định mức cao cần có vật liệu làm dây siêu dẫn có các tính chất đặc biệt
như: dòng điện tới hạn cao và điện trở suất cao khi chuyển đổi dây siêu dẫn từ trạng
thái siêu dẫn trở về trạng thái bình thường. Hiện nay các vật liệu siêu dẫn được biết
tới không hoàn toàn thỏa mãn được các yêu cầu đề ra.
Các thiết bị chuyển mạch cho các đường dây truyền tải siêu dẫn được đề xuất
là số lượng lớn các cấu trúc máy cắt, dao cách ly, dao chuyển đổi đóng cắt và cầu
chì siêu dẫn. Nguyên lý chuyển đổi của máy cắt và dao cách ly đấu nối dựa trên tính
chất chuyển đổi của các vật siêu dẫn từ trạng thái siêu dẫn về trạng thái thông
thường dưới tác dụng của từ trường hoặc nhiệt độ. Những hạn chế của thiết bị loại
này là để ngắt hoàn toàn mạch dòng của các dây siêu dẫn để chuyển từ trạng thái
siêu dẫn sang trạng thái thông thường phải có điện trở rất lớn.
Các giải pháp hiện có khác đề xuất trong thiết bị chuyển mạch đưa thêm vào
máy cắt siêu dẫn và nối song song với nó máy cắt thông thường trong vùng nóng. Ở
chế độ công tác bình thường dòng điện chạy trong mạch có máy cắt siêu dẫn, khi
xuất hiện dòng ngắn mạch hoặc tác động nhân tạo lên máy cắt siêu dẫn, cuộn dây
của nó trở về trạng thái bình thường. Trong trường hợp này phần lớn dòng điện bắt
đầu chạy qua máy cắt thông thường. Dòng điện bị thuyên giảm bị cắt bởi máy cắt
siêu dẫn sau đó máy cắt thường tách các tiếp điểm.

Học viên: Trần Thị Kim Thoa Trang - 25 - Cao học KTĐ 2012